爱因斯坦错了吗?为什么一些天体物理学家质疑时空理论

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这个被称为模块化时空的理论的吸引力在于,它可能有助于解决理论物理中另一个长期存在的关于局域性的问题,以及量子物理中一个臭名昭著的现象——纠缠。物理学家可以设置一种情境,让两个粒子结合在一起,并将它们的量子性质联系起来。

我们是否必须消灭空间和时间理论才能理解宇宙?(图片来源:Tobias Roetsch)

在历史上,革命是科学的命脉。不安的暗流汹涌澎湃,直到一个新的政权出现夺取政权。然后每个人的注意力都转向推翻他们的新统治者。

这在物理学和天文学的历史上已经发生过很多次了。首先,我们认为地球是太阳系的中心——这种想法已经存在了1000多年,然后哥白尼挺身而出说如果我们只是另一颗绕着太阳转的行星整个系统就会简单得多。尽管最初有很多反对意见,但在新发明的望远镜的证据的重压下,这张古老的地心说最终屈服了。

然后牛顿解释了引力是行星围绕太阳运行的原因,他说所有有质量的物体都有相互吸引的引力,根据他的观点,我们绕太阳转是因为太阳在拉我们,月球绕地球转是因为我们在拉它,在1915年爱因斯坦提出广义相对论取代牛顿之前,牛顿统治了两个半世纪,这幅新图像巧妙地解释了水星轨道上的不一致性,并在1919年非洲海岸的一次日食观测中得到了著名的证实。

爱因斯坦认为引力是弯曲空间的结果,而不是拉力,他说,宇宙中的所有物体都位于一个光滑的四维结构中,称为时空。像太阳这样的大质量物体会扭曲其周围的时空,所以地球的轨道就是我们的星球遵循这种曲率的结果,对我们来说,这就像是牛顿引力,这幅时空图已经在宝座上坐了100多年,迄今为止击败了所有觊觎它的人,2015年发现引力波是一个决定性的胜利,但就像之前的发现一样,它也可能会失败。这是因为它与物理动物园里的另一个庞然大物——量子理论从根本上是不相容的。

量子世界是出了名的怪异,例如,单个粒子可以同时出现在两个地方,只有通过观察,我们才能迫使它去“选择”。在观察之前,我们只能给可能的结果分配概率。20世纪30年代,Erwin Schrödinger发明了一种著名的方法来揭示这种想法是多么的反常。他想象着一只猫被关在一个密封的盒子里,旁边有一个装有毒药的小瓶,瓶子上还有一把锤子,锤子被连接到一个测量粒子量子态的装置上,是否锤打碎的瓶和害死猫取决于测量,但量子物理学说到这样的测量,同时粒子在这两个州,这意味着瓶破碎和完整的,猫还活着,死了。

这样的画面无法与平滑、连续的时空结构相协调。“一个引力场不可能同时出现在两个地方,”法兰克福高级研究所(Frankfurt Institute for Advanced Studies)的理论物理学家萨宾·胡森菲尔德(Sabine Hossenfelder)说。根据爱因斯坦的理论,时空是被物质和能量扭曲的,但量子物理学认为物质和能量以多种状态同时存在——它们可以在这里,也可以在那里。“那么引力场在哪里?”Hossenfelder问道。没有人能回答这个问题。这有点尴尬,”她说。

大质量的物体会扭曲其周围的时空结构,导致附近的物体沿着弯曲的路径运动。(图片来源:Take 27 Ltd)

试着把广义相对论和量子理论结合起来,但行不通。Hossenfelder说:“在某一能量之上,你得到的概率大于1。”一种是可能性最高的,这意味着结果是确定的。你再肯定不过了。同样,计算有时会给你无限的答案,这没有实际的物理意义。因此,这两个理论在数学上是不一致的。因此,就像历史上的许多君主一样,物理学家正在寻求敌对派系之间的联姻以确保和平。他们正在寻找量子引力理论——这是让这两个竞争对手分享王位的终极外交演习。这让理论家们转向了一些奇怪的可能性。

可以说最著名的是弦理论,它认为

调和广义相对论和量子理论的一种方法是,现实是由振动的弦构成的。(图片来源:科学图片库)

部分受到弦理论已知缺陷的启发,其他物理学家转向了一种叫做环圈量子引力(LQG)的替代方法。如果他们摒弃广义相对论的一个中心原则,即时空是平滑、连续的结构,他们就可以让这两个理论很好地发挥作用。相反,他们认为,时空是由一系列相互交织的环组成的——它具有最小尺寸尺度上的结构。这有点像布料的长度。乍一看,它就像一块光滑的织物。然而,仔细看,你会发现它实际上是由针线网构成的。或者,把它想象成电脑屏幕上的一张照片:放大后,你会发现它实际上是由单个像素组成的。

问题是当LQG物理学家说小的时候,他们指的是非常小,这些时空中的缺陷只会在普朗克尺度的水平上明显——大约是一米的万亿分之一米的万亿分之一米。它是如此之小,以至于在一立方厘米的空间里有比整个可观测宇宙中的立方厘米还要多的循环。Louko说:“如果时空只在普朗克尺度上不同,那么在任何粒子加速器中都很难测试。”你需要一台比欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)强大1000万亿倍的原子对撞机。那么,你如何能检测到如此微小的时空缺陷呢?答案是看一大片空间。

从宇宙最远的地方到达这里的光已经穿越了数十亿光年的时空,虽然每个时空缺陷的影响是微小的,但在这些距离上,与多个缺陷的相互作用很可能累积成一个潜在的可观察的效应。在过去的十年里,天文学家一直在利用来自遥远伽马射线爆发的光来寻找支持LQG的证据。这些宇宙闪光是大质量恒星在生命结束时坍缩的结果,关于这些遥远的爆炸我们目前无法解释。Hossenfelder说:“它们的光谱有一个系统性的失真”,但没有人知道这是在来这里的路上发生的,还是与爆发源本身有关。目前尚无定论。

另一幅图说空间和时间不是平滑的,而是由一系列微小的循环构成的。(图片来源:科学图片库)

要取得进展,我们可能还得更进一步,不能说时空不是爱因斯坦所认为的那种平滑、连续的结构,根据爱因斯坦的理论,时空就像一个舞台,无论演员是否在舞台上表演,它都保持在原地——即使没有恒星或行星在周围跳舞,时空也仍然会在那里。然而,物理学家Laurent Freidel、Robert Leigh和Djordje Minic认为,这一现象阻碍了我们的发展。他们相信时空不是独立于其中的物体而存在的。时空是由物体相互作用的方式来定义的。这将使时空成为量子世界本身的产物,而不是与之结合的东西。“这听起来可能很古怪,”Minic说,“但这是解决问题的一种非常精确的方法。”

这个被称为模块化时空的理论的吸引力在于,它可能有助于解决理论物理中另一个长期存在的关于局域性的问题,以及量子物理中一个臭名昭著的现象——纠缠。物理学家可以设置一种情境,让两个粒子结合在一起,并将它们的量子性质联系起来。然后他们把它们分开很远,发现它们仍然是联系在一起的。改变其中一个的性质,另一个就会立即改变,就好像信息从一个地方传到另一个地方的速度比光速还快,直接违反了相对论。爱因斯坦对这种现象感到非常不安,他称之为“远距离幽灵作用”。

模块化时空理论可以通过重新定义“分离”的含义来容纳这种行为。如果时空从量子世界中出现,那么在量子意义上的接近比在物理意义上的接近更基本。“不同的观察者对地点有不同的概念,”Minic说,“这取决于环境。”这有点像我们与他人的关系。比起住在街对面的陌生人,我们更能感觉到与远方的爱人更亲近。“你可以拥有这些非本地的联系,只要他们相当小,”Hossenfelder说。

阿尔伯特·爱因斯坦摒弃了牛顿理论中引力是一种力的说法,取而代之的是时空。(图片来源:科学图片库)

弗雷德尔、利和米尼克在过去的五年里一直致力于他们的想法,他们认为正在慢慢取得进展。“我们想要保守一点,一步一步来,”Minic说,“但这是诱人和令人兴奋的。”这当然是一种新颖的方法,它将量子世界“引力化”,而不是像LQG那样将引力量子化。然而,就像任何科学理论一样,它需要验证。目前,三人组正在研究如何将时间融入他们的模型中。

这听起来可能非常深奥,只有学术界才会关心,但它可能对我们的日常生活产生更深远的影响。Hossenfelder说:“我们坐在空间中,我们穿越时间,如果我们对时空的理解发生了变化,这不仅会影响我们对引力的理解,还会影响我们对广义量子理论的理解。”“我们现在所有的装置都是量子理论的产物。如果我们更好地理解时空的量子结构,这将对未来的技术产生影响——也许不是50年或100年,而是200年。”她说。

现任的女王年事已高,新的觊觎者也早该出现了,但我们无法决定在众多选择中,哪一个最有可能成功。当我们做到这一点时,由此产生的革命不仅会为理论物理学带来成果,而且会惠及所有人。

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